CN111069770A - 一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，光路分光单元包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干可调反射镜分布于分光反射镜的四周，分光反射镜能够将入射光束分成多条垂直于入射光束的分光光束，每条分光光束通过可调反射镜聚焦于一点；同轴送丝熔覆头包括设置有光路分光单元和送丝管的熔覆头镜腔，送丝管与准直后的激光光束同轴设置，送丝管延伸出熔覆头镜腔，丝材依次通过送丝管和送丝嘴，可调反射镜能够调整分光光束聚焦到丝材上；本发明通过分光单元形成分光光路，使得可调反射镜能够调节分光光束与丝材的角度，进而在同轴送丝的过程中使得丝材熔滴位于基材熔池的正上方，同时保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀。

Description

一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头。
背景技术
随着近十年高功率光纤激光器的快速发展，激光表面改性，如激光表面强化，激光表面合金化，激光熔覆已经被广泛应用于汽车与航空航天领域。激光熔覆以及激光多层熔覆技术，是采用激光束熔化丝材(或粉材)及薄层基材材料，待快速凝固后形成稀释度极低、成分与基材大体一致的熔覆层的方法称为激光表面熔覆。通过送丝(或送粉)熔覆其熔覆层与基材材料形成冶金结合，从而改善基材材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能。
激光送丝熔覆成形技术是激光熔覆成形技术中的一种，熔覆成形过程采用金属焊丝代替传统粉材作为主要材料，送丝机将丝材送进激光在基材上形成的熔池中，同时激光部分能量也会作用在丝材上形成独特的双熔池现象，并随着激光移动，丝材与基材熔化、结合、冷却最终形成熔覆层。
传统的激光送粉熔覆粉材利用率低，熔覆时间长不适用于大型复杂构件的加工成型工作，且熔覆层与基材的结合强度低，熔覆粉末的成份、粒度等都会极大地影响成型件的精度与性能。相比之下送丝熔覆的丝材利用率可以达到100％，且加工效率高，成型件完整性好，性能稳定。
然而目前现有且已经开始使用的送丝熔覆技术大都是采用旁轴送丝熔覆，其加工柔性较低，只能沿着送丝方向成型，由于激光聚焦后呈锥形，因此激光作用在基材上形成的熔池，与激光作用在丝材上形成的熔滴在水平方向上存在偏离，这会导致丝材熔化形成的熔滴很难滴落到基材熔池中，导致熔覆缺陷，这大大限制了送丝熔覆技术的推广。
为改善旁轴送丝熔覆的上述问题，专利文献1(公开号：CN 105499793A)公开了一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，采用两个相对位置固定的四分光透镜将准直光束分成四束平行光束，入射到聚焦镜上，在通过金属斜平面反射镜将四束准直光聚焦到丝材上，这种方法不能调整四束光束最终的聚焦夹角，很难保证聚焦后的四束光恰好都聚焦在丝材上，并且该方法中大量采用结构复杂的光学透镜，加工难度大，应用成本很高；另外该专利采用透镜分光，这种方式对透镜的加工要求非常高，透镜的热效应会非常明显，分光效率低，光路易发散，而要想达到较好的分光效果，势必需要将分光透镜做的很大，导致成本非常高。专利文献2(公开号：CN 208147143 U)公开了一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，先通过两组锥形镜将实心光束转换为环形中空光束，再通过环形光束分裂镜将环形光束分开，以便送入丝材；该方法不能调节环形光束最终的聚焦夹角，一旦丝材发生轻微的弯曲，很难保证激光光斑落在丝材上。专利文献3(公开号：CN 207326178 U)公开了一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学系统，采用的是n个相同的光路，环绕在送丝机构的周围，该方法结构复杂，需要n个相同功率的激光光源，也就是专利文献3中所提的光纤激光器，实现成本非常高。
因此，针对上述问题，提出了一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，通过分光单元形成分光光束，光束的劈分与换向均采用反射镜，避免了采用透镜分光对透镜的加工要求高、透镜的热效应明显、分光效率低、光路易发散的弊端，能够大大减少激光的能量损失，省去复杂的水冷系统；分光光束垂直于入射激光光束且在同一平面，能够使得经可调反射镜反射后的反射光束同样与入射激光光束在同一平面，在调整可调反射镜时只需要在同一平面内调整反射光束的角度就可以精确的调整聚焦点在丝材的位置，保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀，大大降低了调整的难度也提高了调整的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，以解决上述现有技术存在的问题，通过分光单元形成分光光路，使得可调反射镜能够通过简单的方式调节分光光束与丝材的角度，进而保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀，同时提高调整的精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光路分光单元，包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干所述可调反射镜分布于分光反射镜的四周，所述分光反射镜能够将入射激光光束分成多条分光光束，所述分光光束垂直于入射激光光束，且二者在同一平面内，每条所述分光光束对应照射至所述可调反射镜上，若干所述可调反射镜调整所述分光光束聚焦于一点。
优选地，所述分光反射镜包括第一分光反射镜、第二分光反射镜和22.5°反射镜，所述第一分光反射镜和第二分光反射镜为截面顶角是直角的三棱柱，所述22.5°反射镜为截面一锐角是22.5°的三棱柱，所述第一分光反射镜直角顶角对应的边与入射激光光束的入射方向垂直，将入射激光光束均匀分成二分之一光束，所述第二分光反射镜直角顶角对应的边与所述第一分光反射镜直角顶角对应的边垂直且与二分之一光束的入射方向垂直，将二分之一光束分成平行的四分之一光束，所述第二分光反射镜包括两个且对称设置在所述第一分光反射镜的两侧，所述22.5°反射镜包括四个且每个分别对应一条四分之一光束，所述22.5°反射镜的反射面与四分之一光束成22.5°，四分之一光束经所述22.5°反射镜反射后相互成90°照射至所述可调反射镜。
优选地，所述分光反射镜为三棱锥或四棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，所述三棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成三条三分之一光束且所述三分之一光束位于同一平面，所述三分之一光束照射至所述可调反射镜；所述四棱锥能够将所述准直后的激光光束均匀分成四条四分之一光束且所述四分之一光束位于同一平面，所述四分之一光束照射至所述可调反射镜。
优选地，还包括光源准直模块，所述光源准直模块将准直后的激光光束照射至所述分光反射镜上。
还提供一种应用上述光路分光单元的同轴送丝熔覆头，包括封盖和熔覆头镜腔；所述熔覆头镜腔内设置有光路分光单元和送丝管，所述封盖上设置有光源准直模块；所述送丝管与准直后的激光光束同轴设置，所述送丝管延伸出所述熔覆头镜腔且送丝管的底端安装有送丝嘴，丝材依次通过所述送丝管和所述送丝嘴；所述可调反射镜能够调整所述分光光束聚焦到所述送丝嘴伸出的丝材上。
优选地，所述可调反射镜安装在二维光学镜架上；所述光源准直模块上安装有QBH安装座。
优选地，所述封盖上开设有通道，所述通道延伸到所述熔覆头镜腔内与所述送丝管连通。
优选地，所述送丝管的中间设置有送丝圆孔，四周均布多个通气圆孔。
优选地，所述可调反射镜反射后的分光光束的传播方向上还设置有非球聚焦镜。
优选地，所述非球聚焦镜安装在聚焦镜镜腔内，所述聚焦镜镜腔内设置有Z轴焦距调节机构，所述聚焦镜镜腔沿光束传播的方向上还设置有保护镜镜腔，所述保护镜镜腔内设置有聚焦镜保护镜，所述聚焦镜保护镜与所述非球聚焦镜平行。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过分光单元形成分光光束，光束的劈分与换向均采用反射镜，避免了采用透镜分光对透镜的加工要求高、透镜的热效应明显、分光效率低、光路易发散的弊端，能够大大减少激光的能量损失，省去复杂的水冷系统；分光光束垂直于入射激光光束且在同一平面，能够使得经可调反射镜反射后的反射光束同样与入射激光光束在同一平面，在调整可调反射镜时只需要在同一平面内调整反射光束的角度就可以精确的调整聚焦点在丝材的位置，保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀，大大降低了调整的难度也提高了调整的精度。
2、本发明利用多个分光反射镜将准直光束均匀的分成四路，这种方法结构简单，分光效率高，准直光束在经过一级分光反射镜之后，产生的两束光功率变为原来的二分之一，再经过二级分光反射镜之后，能量变为最初的四分之一，此时，光束的截面是圆心角为90°的扇形，这样非球聚焦镜与聚焦镜保护镜的热效应就会大大降低。
3、本发明利用22.5°反射镜，将相对的两束四分之一光线反射至与送丝管同一平面，便于调节光束与送丝管之间的夹角。
4、本发明采用四组二维光学镜架，调节四分之一光束在可调反射镜上的反射夹角α，保证四分之一光束均能聚焦到丝材的顶端。
5、本发明将丝材与保护气通过通道直接到达送丝管，送丝管中间中空送丝，周围n个小孔送气，达到同轴送丝与同轴吹保护气的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为同轴送丝熔覆头剖视图；
图2为四分光路的光路分光单元光路示意图；
图3为光路分光单元光路夹角调节示意图；
图4为四分光路的光路分光单元示意图；
图5为同轴送丝熔覆头总体结构图。
其中，1-准直后的激光光束，2-22.5°反射镜，3-可调反射镜，4-二维光学镜架，5-非球聚焦镜，6-聚焦镜保护镜，7-第二分光反射镜，8-第一分光反射镜，9-通道，10-送丝管，11-送丝嘴，12-QBH安装座，13-光源准直模块，14-连接支架，15-封盖，16-聚焦镜镜腔，17-保护镜镜腔，18-熔覆头镜腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，以解决现有技术存在的问题，通过分光单元形成分光光路，使得可调反射镜能够调节分光光束与丝材的角度，进而在同轴送丝的过程中使得丝材熔滴位于基材熔池的正上方，同时保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种同轴送丝熔覆头，包括连接支架14、封盖15和熔覆头镜腔18，熔覆头镜腔18内设置有光路分光单元和送丝管10，封盖15上设置有光源准直模块13，送丝管10与准直后的激光光束1同轴设置，送丝管10延伸出熔覆头镜腔18且送丝管10的底端安装有送丝嘴11，丝材依次通过送丝管10和送丝嘴11，可调反射镜3能够调整分光光束聚焦到送丝嘴11伸出的丝材上。
其中，准直后的激光光束1是由激光器作为光源，经光源准直模块13准直后产生平行光束，光束的能量分布均匀，是平顶分布圆光斑；连接支架14用于将该同轴送丝熔覆头安装连接到机械臂或者机床上；送丝嘴11可根据不同直径的丝材更换，且送丝嘴采用紫铜，防止吸收激光辐射。
如图3所示，可调反射镜3可以调节四分之一光束的反射夹角α使得四分之一光束与丝材的夹角δ可调，其中α+δ＝90°，可调反射镜3共四个分别安装在四个二维光学镜架4上，通过二维光学镜架4上的微调旋钮可以精确调节反射夹角α。
如图2所示，本发明提供一种光路分光单元，包括可调反射镜和两级分光反射镜，其中，分光反射镜包括第一分光反射镜8、第二分光反射镜7和22.5°反射镜2，第一分光反射镜8和第二分光反射镜7为截面顶角是直角的三棱柱，22.5°反射镜2为截面一锐角是22.5°的三棱柱，第一分光反射镜8直角顶角对应的边与入射激光光束的入射方向垂直，将入射激光光束均匀分成二分之一光束，第二分光反射镜7直角顶角对应的边与第一分光反射镜8直角顶角对应的边垂直且与二分之一光束的入射方向垂直，将二分之一光束分成平行的四分之一光束，第二分光反射镜7包括两个且对称设置在第一分光反射镜8的两侧，22.5°反射镜2包括四个且每个分别对应一条四分之一光束，22.5°反射镜2的反射面与四分之一光束成22.5°，四分之一光束经22.5°反射镜2反射后相互成90°照射至可调反射镜3。
其中，如图4所示，22.5°反射镜2的反射面与四分之一光束的入射方向呈β角，β＝22.5°，22.5°反射镜2共有四片；经22.5°反射镜2反射后的四分之一光束与送丝管10位于同一平面，便于后面调节丝材与光束的夹角；
22.5°反射镜2通过压块安装在熔覆头镜腔18中，四个22.5°反射镜2的安装位置上下左右对称。
如图1-3所示，可调反射镜3安装在二维光学镜架4上，光源准直模块13上安装有QBH安装座12。
如图1-2所示，封盖15上开设有通道9，通道9延伸到熔覆头镜腔18内与送丝管10连通，通道9连通送丝管10与连接支架14，用于送丝机向送丝管10内送丝，同时保护气也从通道9向送丝管10内送入，达到同轴送丝与同轴送保护气的目的。
如图1所示，送丝管10的中间设置有送丝圆孔，四周均布多个通气圆孔；现有的同轴送丝头都采用的是侧吹保护气，这使得在熔覆过程中，侧吹保护气会使得熔融液滴在滴落过程中受到侧向力发生偏转滴落，很难保证精确的熔覆效果，而本发明的送丝管10中心中空用于同轴送丝，周围均匀分布n个管道(n>6)用于同轴输送保护气，这样就达到了同轴送丝与同轴送保护气的目的。
如图1-3所示，可调反射镜3反射后的分光光束的传播方向上还设置有非球聚焦镜5；非球聚焦镜5安装在聚焦镜镜腔16内，聚焦镜镜腔16内设置有Z轴焦距调节机构，聚焦镜镜腔16沿光束传播的方向上还设置有保护镜镜腔17，保护镜镜腔17内设置有聚焦镜保护镜6，聚焦镜保护镜6与非球聚焦镜5平行。
其中，非球聚焦镜5共有四片，用于将四分之一光束聚焦；聚焦镜保护镜6用于保护非球聚焦镜5，防止熔覆过程中的烟尘污染非球聚焦镜5；保护镜镜腔17通过螺纹安装在聚焦镜镜镜腔16上，可以快速拆卸，方便更换聚焦镜保护镜6。
本发明分光的具体工作过程如下：
本发明采用激光器作为光源，以波长1080nm的4kW光纤激光器为例，从QBH发射的4kW激光(此时4kW光源的能量分布为高斯分布)，在经过光源准直模块13后，发散的激光束被整形为圆柱光束，也即准直后的激光光束1(此时光束的能量分布为平顶均匀分布)，准直后的激光光束1垂直入射到第一分光反射镜8上后，被第一分光反射镜8上的两个相互垂直的反射面劈分成两束二分之一光束，这两束二分之一光束发射方向相反，并与原准直后的激光光束1垂直，每束二分之一光束的能量为2kW，截面形状为半圆；如图4所示，两束二分之一光束再垂直入射到上下两侧的第二分光反射镜7上，每束二分之一光束均被第二分光反射镜7上的两个相互垂直的反射面劈分成两束四分之一光束，同一侧的两束四分之一光束发射方向相反，且与原先的二分之一光束垂直，每束四分之一光束的能量为1kW，截面形状是圆心角为90°的扇形；如图4所示，此时四束四分之一光束再分别入射到左右两侧的22.5°反射镜2的反射面上，经反射后与原先四分之一光束成135°，此时四束四分之一光束经四个22.5°反射镜2反射后，分别照射至四个可调反射镜3，且相邻光线之间互成90°；在可调反射镜3的反射作用下，四束四分之一光束分别与原有光线成α角照射至非球聚焦镜5，经非球聚焦镜5聚焦后，四束四分之一光束分别从四个方向聚焦到丝材的顶端。
实施例二
本实施例提供一种光路分光单元，在实施例一的基础上，本实施例的分光反射镜为三棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，三棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成三条三分之一光束且三分之一光束位于同一平面，三分之一光束照射至可调反射镜。
实施例三
本实施例提供一种光路分光单元，在实施例一的基础上，本实施例的分光反射镜为四棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，四棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成四条四分之一光束且四分之一光束位于同一平面，四分之一光束照射至可调反射镜。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光路分光单元，其特征在于，包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干所述可调反射镜分布于分光反射镜的四周，所述分光反射镜能够将入射激光光束分成多条分光光束，所述分光光束垂直于入射激光光束，且二者在同一平面内，每条所述分光光束对应照射至所述可调反射镜上，若干所述可调反射镜调整所述分光光束聚焦于一点。
2.根据权利要求1所述的一种光路分光单元，其特征在于，所述分光反射镜包括第一分光反射镜、第二分光反射镜和22.5°反射镜，所述第一分光反射镜和第二分光反射镜为截面顶角是直角的三棱柱，所述22.5°反射镜为截面一锐角是22.5°的三棱柱，所述第一分光反射镜直角顶角对应的边与入射激光光束的入射方向垂直，将入射激光光束均匀分成二分之一光束，所述第二分光反射镜直角顶角对应的边与所述第一分光反射镜直角顶角对应的边垂直且与二分之一光束的入射方向垂直，将二分之一光束分成平行的四分之一光束，所述第二分光反射镜包括两个且对称设置在所述第一分光反射镜的两侧，所述22.5°反射镜包括四个且每个分别对应一条四分之一光束，所述22.5°反射镜的反射面与四分之一光束成22.5°，四分之一光束经所述22.5°反射镜反射后相互成90°照射至所述可调反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种光路分光单元，其特征在于，所述分光反射镜为三棱锥或四棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，所述三棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成三条三分之一光束且所述三分之一光束位于同一平面，所述三分之一光束照射至所述可调反射镜；所述四棱锥能够将所述准直后的激光光束均匀分成四条四分之一光束且所述四分之一光束位于同一平面，所述四分之一光束照射至所述可调反射镜。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光路分光单元，其特征在于，还包括光源准直模块，所述光源准直模块将准直后的激光光束照射至所述分光反射镜上。
5.一种应用如权利要求1-4任一项所述的光路分光单元的同轴送丝熔覆头，其特征在于，包括封盖和熔覆头镜腔；所述熔覆头镜腔内设置有光路分光单元和送丝管，所述封盖上设置有光源准直模块；所述送丝管与准直后的激光光束同轴设置，所述送丝管延伸出所述熔覆头镜腔且送丝管的底端安装有送丝嘴，丝材依次通过所述送丝管和所述送丝嘴；所述可调反射镜能够调整所述分光光束聚焦到所述送丝嘴伸出的丝材上。
6.根据权利要求5所述的一种同轴送丝熔覆头，其特征在于，所述可调反射镜安装在二维光学镜架上；所述光源准直模块上安装有QBH安装座。
7.根据权利要求5所述的一种同轴送丝熔覆头，其特征在于，所述封盖上开设有通道，所述通道延伸到所述熔覆头镜腔内与所述送丝管连通。
8.根据权利要求5所述的一种同轴送丝熔覆头，其特征在于，所述送丝管的中间设置有送丝圆孔，四周均布多个通气圆孔。
9.根据权利要求5所述的一种同轴送丝熔覆头，其特征在于，所述可调反射镜反射后的分光光束的传播方向上还设置有非球聚焦镜。
10.根据权利要求9所述的一种同轴送丝熔覆头，其特征在于，所述非球聚焦镜安装在聚焦镜镜腔内，所述聚焦镜镜腔内设置有Z轴焦距调节机构，所述聚焦镜镜腔沿光束传播的方向上还设置有保护镜镜腔，所述保护镜镜腔内设置有聚焦镜保护镜，所述聚焦镜保护镜与所述非球聚焦镜平行。
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